JP2003016773A - Register, data storing method, and data read-out method - Google Patents

Register, data storing method, and data read-out method

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JP2003016773A JP2001199556A JP2001199556A JP2003016773A JP 2003016773 A JP2003016773 A JP 2003016773A JP 2001199556 A JP2001199556 A JP 2001199556A JP 2001199556 A JP2001199556 A JP 2001199556A JP 2003016773 A JP2003016773 A JP 2003016773A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a register provided with a non-volatile data storing function. SOLUTION: This device comprises a data write-in block 12 comprising a non-volatile storage element, and a data restoring block 14 for reading out data stored in the non-volatile storage element. MTJ elements 16a, 16b are used as a non-volatile storage element.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップにお
ける不揮発性の記憶素子、特にMRAM(Magnetic Ran
dom Access Memory)に使用されるMTJ(Magnetic Tu
nnel Junction)素子を使用したレジスタ、データの記
憶方法及びデータの読み出し方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile memory element in a semiconductor chip, especially MRAM (Magnetic Ran).
MTJ (Magnetic Tu) used for dom access memory
register, a method of storing data and a method of reading data.

【0002】[0002]

【従来の技術】レジスタブロック20はデータを一時記
憶するための回路ブロックである。レジスタブロック2
0は、図4に示すように、NAND回路40a,40b
を組み合わせたフリップフロップ(Flip-Flop)で構成
される。入力線S及びRに入力される信号の組み合わせ
で「0」か「1」のデータを記憶する。
2. Description of the Related Art A register block 20 is a circuit block for temporarily storing data. Register block 2
0 indicates the NAND circuits 40a and 40b as shown in FIG.
It is composed of Flip-Flops. Data of "0" or "1" is stored as a combination of signals input to the input lines S and R.

【0003】レジスタブロック20は、入力線Sに「ハ
イ(High)」の信号を入力し、入力線Rに「ロー(Lo
w)」の信号を入力すると、Q2が「ハイ」になりQ1
が「ロー」になる。入力線Rに「ハイ(High)」の信号
を入力し、入力線Sに「ロー(Low)」の信号を入力す
ると、Q1が「ハイ」になりQ2が「ロー」になる。レ
ジスタに書き込むデータによって、入力線S及びRの信
号のレベルを決定する。また、入力線S及びRに同時に
「ハイ」の信号を入力することによって、レジスタブロ
ック20に入力されたデータが保持される。一般的に入
力線S及びRに同時に「ロー」の信号を入力すると、レ
ジスタブロック20の状態が予想不能となるため、入力
線S及びRに同時に「ロー」の信号を入力することは行
われない。
The register block 20 inputs a signal of "High" to the input line S and inputs a signal of "Low" to the input line R.
w) ”signal is input, Q2 becomes“ high ”and Q1
Becomes "low". When a "High" signal is input to the input line R and a "Low" signal is input to the input line S, Q1 becomes "high" and Q2 becomes "low". The level of the signal on the input lines S and R is determined by the data written in the register. Further, by inputting a “high” signal to the input lines S and R at the same time, the data input to the register block 20 is held. Generally, if the "low" signals are input to the input lines S and R at the same time, the state of the register block 20 becomes unpredictable. Therefore, it is not possible to input the "low" signals to the input lines S and R at the same time. Absent.

【0004】従来、ロジック・チップ(logic chip)の
中に組み込まれるラッチ回路やレジスタは、コンデンサ
などの揮発性の記憶素子にデータ記憶するため、電源を
切るとデータを失ってしまう。従って、不揮発性の記憶
素子を使用することは、システムアプリケーションの多
くにとって非常に有用な機能であるだけでなく、システ
ムの機能を強化する要素のひとつでもある。
Conventionally, a latch circuit or a register incorporated in a logic chip stores data in a volatile storage element such as a capacitor, and therefore loses data when the power is turned off. Therefore, the use of a non-volatile storage element is not only a very useful function for many system applications, but also one of the elements that enhances the function of the system.

【0005】フラッシュメモリのような不揮発性の半導
体メモリチップもあるが、不揮発性記憶機能を内蔵した
ロジック・チップの設計や開発は行われてこなかった。
その理由は、フラッシュメモリのような不揮発性の記憶
素子を内蔵することは、従来の半導体のロジック・チッ
プより構造が複雑になる。既存の半導体チップの製造工
程では、フラッシュメモリのような不揮発性の記憶素子
を内蔵することは不可能であるためである。従って、既
存のコンピュータシステムおよびアプリケーションのロ
ジック・チップでは、このような不揮発性のデータ記憶
機能を有していない。
Although there are nonvolatile semiconductor memory chips such as a flash memory, a logic chip having a nonvolatile memory function has not been designed or developed.
The reason is that incorporating a non-volatile storage element such as a flash memory makes the structure more complicated than that of a conventional semiconductor logic chip. This is because it is impossible to incorporate a nonvolatile storage element such as a flash memory in the existing manufacturing process of the semiconductor chip. Therefore, existing computer system and application logic chips do not have such non-volatile data storage capability.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、不揮
発性のデータ記憶機能を備えるレジスタ、データの記憶
方法及びデータの読み出し方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a register having a nonvolatile data storage function, a data storage method, and a data read method.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明のレジスタの要旨
は、データの記憶されたレジスタブロックと、前記デー
タを記憶するための不揮発性の記憶素子を含んだデータ
書き込みブロックと、前記データ書き込みブロックに記
憶されたデータを読み出すデータ復元ブロックと、を含
むことにある。
The gist of a register of the present invention is a register block in which data is stored, a data writing block including a nonvolatile storage element for storing the data, and the data writing block. And a data recovery block for reading the data stored in.

【0008】本発明のデータの記憶方法の要旨は、レジ
スタブロックから出力されたデータに従って、2個の論
理回路の内、いずれか一方の論理回路からハイの信号を
出力するステップと、ハイの信号が出力された論理回路
に接続された2個のスイッチをオンにするステップと、
2個の記憶素子にデータを書き込むステップと、を含む
ことにある。
The gist of the data storage method of the present invention is to output a high signal from one of the two logic circuits according to the data output from the register block, and a high signal. Turning on the two switches connected to the logic circuit that outputs
Writing data to the two storage elements.

【0009】本発明のデータの読み出し方法の要旨は、
電流ミラー回路を作動させるステップと、電流ミラー回
路を作動させるステップによって発生した差動信号を増
幅するステップと、増幅された差動信号を保持するステ
ップと、を含むことにある。
The gist of the data reading method of the present invention is as follows.
The method includes activating the current mirror circuit, amplifying the differential signal generated by activating the current mirror circuit, and holding the amplified differential signal.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明のレジスタ、データの記憶
方法及びデータの読み出し方法の実施の形態について図
面を用いて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a register, a data storing method and a data reading method of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0011】図1に示すように本発明のレジスタ10
は、従来のレジスタブロック20に加えて、レジスタブ
ロック20のデータを一時記憶するデータ書き込みブロ
ック12と、データ書き込みブロック12に記憶された
データを復元するデータ復元ブロック14とを有する。
図1では1ビットのレジスタ機能または1ビットのラッ
チ機能を示すレジスタ10であるが、一般的なマルチビ
ットのレジスタは、ビット毎に同じ上記の各ブロックを
持つことになる。
As shown in FIG. 1, the register 10 of the present invention.
In addition to the conventional register block 20, has a data writing block 12 for temporarily storing the data of the register block 20, and a data restoration block 14 for restoring the data stored in the data writing block 12.
In FIG. 1, the register 10 has a 1-bit register function or a 1-bit latch function, but a general multi-bit register has the same blocks as described above for each bit.

【0012】データ書き込みブロック12は不揮発性の
記憶素子であるMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素
子16a,16bを有する。MTJ素子16a,16b
はMRAM(Magnetic Random Access Memory)のメモ
リセルに使用される記憶素子である。
The data write block 12 has MTJ (Magnetic Tunnel Junction) elements 16a and 16b which are nonvolatile storage elements. MTJ elements 16a, 16b
Is a storage element used for a memory cell of an MRAM (Magnetic Random Access Memory).

【0013】一般的なMTJ素子16aは、図2に示す
ように、強磁性体の層である自由層(Free layer)2
6、トンネルバリアー(Tunneling barrier)28及び
強磁性体の層である固定層(Pinned layer)30が重ね
合わさった構造である。固定層30の磁化の方向は一定
であり、自由層26の磁化の方向は外部からの磁界の方
向によって変えることが可能になっている。固定層30
の磁化の方向と自由層26の磁化の方向との組み合わせ
によって、記憶されるデータが「0」であるか「1」で
あるかを区別する仕組みになっている。例えば、固定層
30と自由層26の磁化の方向が同一であればMTJ素
子の抵抗が小さく、「0」のデータであり、反対方向で
あればMTJ素子の抵抗が高く、「1」のデータであ
る。
As shown in FIG. 2, a general MTJ element 16a has a free layer 2 which is a ferromagnetic layer.
6, a tunneling barrier 28 and a pinned layer 30, which is a ferromagnetic layer, are stacked. The magnetization direction of the fixed layer 30 is constant, and the magnetization direction of the free layer 26 can be changed by the direction of the magnetic field from the outside. Fixed layer 30
According to the combination of the magnetization direction of 1 and the magnetization direction of the free layer 26, the stored data is discriminated whether it is “0” or “1”. For example, when the magnetization directions of the fixed layer 30 and the free layer 26 are the same, the resistance of the MTJ element is small and the data is “0”, and when the magnetization directions of the fixed layer 30 and the free layer 26 are the same, the resistance of the MTJ element is high and the data is “1”. Is.

【0014】データ書き込みブロック12は、レジスタ
ブロック20から出力されるデータが入力されるAND
回路22bと、そのデータの値を反転するためのNOT
回路24aと、NOT回路24aの出力が入力されるA
ND回路22aと、が含まれる。NOT回路24aとA
ND回路22aを1個の論理回路とすると、その1個の
論理回路とAND回路22bとで2個の論理回路が含ま
れることになる。更に、AND回路22a,22bに
は、データ書き込み線(Data Write:DW)の信号が入
力される。データ書き込み線に「ロー(Low)」の信号
を入力する限り、AND回路22a,22bの出力はロ
ーに固定される。
The data write block 12 is an AND to which the data output from the register block 20 is input.
Circuit 22b and NOT for inverting the value of the data
A to which the outputs of the circuit 24a and the NOT circuit 24a are input
And an ND circuit 22a. NOT circuit 24a and A
When the ND circuit 22a is one logic circuit, the one logic circuit and the AND circuit 22b include two logic circuits. Further, the signals of the data write line (Data Write: DW) are input to the AND circuits 22a and 22b. As long as the "Low" signal is input to the data write line, the outputs of the AND circuits 22a and 22b are fixed to low.

【0015】2個のMTJ素子16aと16bはスイッ
チT5を介して接続されている。2個のMTJ素子16
aと16bのそれぞれの固定層の磁化の方向は、互いに
反対方向を向くように構成されている。例えば、図中の
矢印で示すように、スイッチT5を介して互いに向き合
う方向になっている。
The two MTJ elements 16a and 16b are connected via a switch T5. Two MTJ elements 16
The magnetization directions of the respective fixed layers of a and 16b are configured so as to be opposite to each other. For example, as shown by the arrow in the figure, the directions are opposite to each other via the switch T5.

【0016】MTJ素子16a、16bにはスイッチT
1,T2,T3,T4が接続されている。上記のスイッ
チT5と合わせて、データ書き込みブロック12の電気
経路を形成するのに使用される。例えば、スイッチT
1,T3及びT5がオンになると、スイッチT1からM
TJ素子16a,スイッチT5,MTJ素子16b及び
スイッチT3が直列に接続されて電気経路が形成され
る。また、スイッチT2,T4及びT5がオンになる
と、スイッチT2からMTJ素子16b,スイッチT
5,MTJ素子16a及びスイッチT4が直列に接続さ
れて電気経路が形成される。図1において、スイッチT
5を左から右に電流が流れれば、MTJ素子16aは固
定層と自由層の磁化の方向が同方向となり「0」のデー
タが書き込まれ、MTJ素子16bは固定層と自由層の
磁化の方向が反対方向となり「1」のデータが書き込ま
れる。また、逆にスイッチT5を右から左に電流が流れ
れば、MTJ素子16bは固定層と自由層の磁化の方向
が同方向となり「0」のデータが書き込まれ、MTJ素
子16aは固定層と自由層の磁化の方向が反対方向とな
り「1」のデータが書き込まれる。いずれの場合もMT
J素子16a,16bにはTrue(真)とComplement
(偽)のデータが書き込まれる。
A switch T is provided on the MTJ elements 16a and 16b.
1, T2, T3 and T4 are connected. Together with the switch T5 described above, it is used to form the electrical path of the data write block 12. For example, switch T
1, T3 and T5 are turned on, switches T1 to M
The TJ element 16a, the switch T5, the MTJ element 16b, and the switch T3 are connected in series to form an electric path. When the switches T2, T4, and T5 are turned on, the switch T2 moves to the MTJ element 16b and the switch T.
5, the MTJ element 16a and the switch T4 are connected in series to form an electric path. In FIG. 1, the switch T
When a current flows from left to right through 5, the MTJ element 16a has the magnetization directions of the fixed layer and the free layer in the same direction, and "0" data is written, and the MTJ element 16b has the magnetization directions of the fixed layer and the free layer. The direction is opposite and the data of "1" is written. On the contrary, when a current flows from right to left through the switch T5, the magnetization directions of the fixed layer and the free layer of the MTJ element 16b become the same direction, and the data of "0" is written, and the MTJ element 16a becomes the fixed layer. The magnetization direction of the free layer is opposite, and the data of "1" is written. MT in any case
Complement to J elements 16a and 16b is True.
(False) data is written.

【0017】AND回路22aの出力が「ハイ」になる
と、スイッチT1及びT3がオンになる。AND回路2
2bの出力が「ハイ」になると、スイッチT2及びT4
がオンになる。スイッチT5は、データ書き込み線に
「ハイ」の信号を入力することによってオンになる。
When the output of the AND circuit 22a becomes "high", the switches T1 and T3 are turned on. AND circuit 2
When the output of 2b goes "high", switches T2 and T4
Turns on. The switch T5 is turned on by inputting a "high" signal to the data write line.

【0018】データ復元ブロック14は、MTJ素子1
6c、16dを含む。MTJ素子16c、16dは図2
に示すように、MTJ素子の抵抗部分であり、MTJ素
子16aまたは16bとMTJ素子16cまたは16d
は一体構造である。
The data restoration block 14 includes the MTJ element 1
6c and 16d are included. The MTJ elements 16c and 16d are shown in FIG.
As shown in FIG. 5, it is a resistance portion of the MTJ element, and the MTJ element 16a or 16b and the MTJ element 16c or 16d
Is an integral structure.

【0019】データ復元線(Data Restore:DRS)の
信号が入力されるスイッチT8と、NOT回路24b
と、NOT回路24bの出力が入力されるスイッチT7
が設けられている。データ復元線に「ロー」の信号が入
力されることによって、スイッチT7とT8はオンにな
る。また、スイッチT7及びT8がオンになったことに
よって自動的にオンになるスイッチT6,T9,T10
が含まれる。図中のスイッチT9及びT10部分は電流
ミラー回路である。データ復元ブロック14の全てのス
イッチがオンになると、MTJ素子16c及び16d対
のノード上に差動信号(ノードMLとノードMRの信号
レベルの差)が現れる。差動信号の値によって「0」か
「1」が判断される。ノードML及びMRに接続された
アンプ・ラッチ回路(AMP & Latch)18は、差動信号
を増幅し、保持するための回路である。差動信号によっ
て決定されるデータを保持するためにCMOSFET
(Complementary MOSFET)が使用される。データを保持
するための回路構成は図3のようになっており、2個の
CMOSFET32a,32bでデータが保持される仕
組みになっている。
A switch T8 to which a signal of a data restore line (Data Restore: DRS) is input, and a NOT circuit 24b.
And a switch T7 to which the output of the NOT circuit 24b is input.
Is provided. The switches T7 and T8 are turned on by inputting a "low" signal to the data restoration line. Further, the switches T6, T9, T10 which are automatically turned on when the switches T7 and T8 are turned on.
Is included. The switches T9 and T10 in the figure are current mirror circuits. When all the switches of the data restoration block 14 are turned on, a differential signal (difference in signal level between the node ML and the node MR) appears on the nodes of the pair of MTJ elements 16c and 16d. "0" or "1" is determined according to the value of the differential signal. An amplifier / latch circuit (AMP & Latch) 18 connected to the nodes ML and MR is a circuit for amplifying and holding a differential signal. CMOSFET for holding data determined by the differential signal
(Complementary MOSFET) is used. The circuit configuration for holding the data is as shown in FIG. 3, and the two CMOSFETs 32a and 32b hold the data.

【0020】データ書き込みブロック12及びデータ復
元ブロック14に使用されるスイッチT1,T2,T
3,T4,T5,T6,T7はn型MOSFETを使用
する。スイッチT8,T9,T10は、p型MOSFE
Tを使用する。
Switches T1, T2, T used in the data writing block 12 and the data restoring block 14
3, T4, T5, T6 and T7 use n-type MOSFETs. The switches T8, T9, T10 are p-type MOSFE
Use T.

【0021】レジスタブロック20へのデータの入力は
レジスタ入出力(Register I/Os)線より行われる。デ
ータ書き込み線やデータ復元線に信号が入力されること
によって、データ書き込みブロック12やデータ復元ブ
ロック14が動作する。
Data is input to the register block 20 through a register input / output (Register I / Os) line. The data write block 12 and the data restore block 14 operate by inputting a signal to the data write line and the data restore line.

【0022】レジスタ10の作用について説明する。レ
ジスタ10の回路操作中は、データ書き込み線とデータ
復元線にそれぞれ「ロー(Low)」と「ハイ(High)」
の信号を送信することで、データ書き込みブロック12
とデータ復元ブロック14の回路動作がオフになる。こ
の状態で、レジスタ10はレジスタ入出力線を通じて、
データ書き込みブロック12及びデータ復元ブロック1
4を起動せずに信号の送受信を行う。その信号は、レジ
スタ10を動作させる際にタイミングを取るクロック信
号を含む。レジスタブロック20に記憶されたデータは
いつも図中のRO上に現れるが、DWが「ロー」に固定
されると、AND回路22a,22bによって、図中の
DLとDRはいずれも「ロー」に固定され、スイッチT
1,T2,T3,T4はオフになる。
The operation of the register 10 will be described. During the circuit operation of the register 10, the data write line and the data restore line are "Low" and "High", respectively.
The data write block 12 is transmitted by transmitting the signal of
Then, the circuit operation of the data restoration block 14 is turned off. In this state, the register 10 is
Data writing block 12 and data restoring block 1
Signals are transmitted and received without activating 4. The signal includes a clock signal that is timed when operating register 10. The data stored in the register block 20 always appears on RO in the figure, but when DW is fixed to "low", both the DL and DR in the figure become "low" by the AND circuits 22a and 22b. Fixed, switch T
1, T2, T3 and T4 are turned off.

【0023】データを書き込むためにDWに「ハイ」の
信号を送信し、スイッチT5をオンにする。同時に、D
LとDRのいずれかが、書き込まれるデータによって
「ハイ」になる。例えば、レジスタブロック20の出力
信号が「ハイ」であれば、DRが「ハイ」になる。ま
た、レジスタブロック20の出力信号が「ロー」であれ
ば、DLが「ハイ」になる。
A "high" signal is sent to DW to write the data and switch T5 is turned on. At the same time, D
Either L or DR goes "high" depending on the data being written. For example, if the output signal of the register block 20 is “high”, DR becomes “high”. If the output signal of the register block 20 is "low", DL becomes "high".

【0024】図1の矢印は、MTJ素子16a,16b
の固定層30の磁化の方向を示す。スイッチT5を介し
て接続されたMTJ素子16a,16bの固定層30の
磁化の方向は、互いに反対の方向を向いている。データ
書き込みブロック12は、真(true、「1」)と偽(co
mplement、「0」)のデータをMTJ素子16a,16
b対に書き込む。例えば、DLが「ハイ」の場合、スイ
ッチT1,T3及びT5がオンになる。従って、電流は
スイッチT1から左のMTJ素子16a,スイッチT
5,右のMTJ素子16b,更にスイッチT3に流れ
る。電流による磁界の方向は、左のMTJ素子16aが
固定層30の磁化の方向に対して同方向であり、右のM
TJ素子16bは反対方向である。この場合、左のMT
J素子16aの固定層30と自由層26の磁化の方向は
同じになり、右のMTJ素子16bは反対方向になる。
レジスタブロック20の出力が「ロー」の場合、左のM
TJ素子16aは「0」のデータが書き込まれ、右のM
TJ素子16bは「1」のデータが書き込まれる。DR
が「ハイ」の場合、スイッチT2,T4,T5がオンに
なり、上記とは逆の磁化の組み合わせになる。DLを
「ハイ」にするかDRを「ハイ」にするかによって、デ
ータ書き込みブロック12に記憶されるデータが異な
る。上記のようにMTJ素子16a、16b対は簡易に
データを書き換えることができ、更にデータは不揮発性
であるので電源を切ってもデータは保存される。
The arrows in FIG. 1 indicate the MTJ elements 16a and 16b.
The magnetization direction of the fixed layer 30 is shown. The magnetization directions of the fixed layers 30 of the MTJ elements 16a and 16b connected via the switch T5 are opposite to each other. The data writing block 12 has true (true, “1”) and false (co
mplement, data of "0") is converted to MTJ elements 16a, 16
Write to pair b. For example, when DL is "high", the switches T1, T3 and T5 are turned on. Therefore, the current flows from the switch T1 to the left MTJ element 16a and the switch T1.
5, to the right MTJ element 16b and further to the switch T3. The direction of the magnetic field due to the current is the same as that of the magnetization of the fixed layer 30 in the left MTJ element 16a, and the right MJ element 16a is in the same direction.
The TJ element 16b is in the opposite direction. In this case, MT on the left
The magnetization directions of the fixed layer 30 and the free layer 26 of the J element 16a are the same, and the right MTJ element 16b is in the opposite direction.
When the output of the register block 20 is "low", the left M
"0" data is written in the TJ element 16a, and the right M
Data of "1" is written in the TJ element 16b. DR
Is high, the switches T2, T4 and T5 are turned on, and the combination of magnetizations is the reverse of the above. The data stored in the data write block 12 differs depending on whether DL is set to “high” or DR is set to “high”. As described above, the pair of MTJ elements 16a and 16b can easily rewrite data, and since the data is non-volatile, the data is saved even when the power is turned off.

【0025】従来のMRAMはマトリックス構造のた
め、書き込みワードラインと自由層の電流で格子のアド
レス指定するため、より容易なアドレス指定を切り替え
るスイッチを設ける必要がある。しかし、本発明のレジ
スタの書き込み操作では、記憶素子の構造がMRAMの
ように書き込みワードラインとビットラインがマトリッ
クス状に構成された構造ではないので、書き込みワード
ラインを持つ必要はない。
Since the conventional MRAM has a matrix structure, the address of the lattice is addressed by the currents of the write word line and the free layer, and therefore it is necessary to provide a switch for switching easier addressing. However, in the write operation of the register of the present invention, it is not necessary to have the write word line because the structure of the storage element is not the structure in which the write word line and the bit line are arranged in a matrix like the MRAM.

【0026】MTJ素子を含んだ通常のMRAMでは、
メモリアレーが上記のようにマトリックス状に構成さ
れ、交叉部にMTJ素子配置しており、縦方向のビット
ラインと横方向のワードラインとで選ばれた交叉部のM
TJ素子のみにデータを書き込むため、ビットラインの
他に書き込みワードラインにも電流を流す。しかし、図
1のようなMTJ素子16a,16bはスイッチT5を
介して対になって接続されており、固定層30の磁化の
方向が図1に示すように、互いに反対方向を向いてスイ
ッチT5の方向を向いている。従って、本発明のMTJ
素子16a,16bは上記のMRAMのメモリアレーと
同じ構造ではないので、縦横の交叉部で書き込む素子を
選択する必要はない。また、従来のMRAMにおけるM
TJ素子の自由層の磁化方向の反転は、ビットラインに
流す電流のみでも可能であるため、本発明のレジスタの
記憶素子は、従来のMRAMのMTJ素子の書き込みワ
ードラインを省いた構成である。レジスタは、上記の書
き込み操作を通して、電力を消費せずにデータを保存す
るTrueとComplementのペアを基本構造とするメモリにデ
ータを転送する。
In a normal MRAM including an MTJ element,
The memory array is configured in a matrix as described above, MTJ elements are arranged at the intersections, and M of the intersections selected by the vertical bit lines and the horizontal word lines are selected.
Since the data is written only in the TJ element, the current is passed through the write word line as well as the bit line. However, the MTJ elements 16a and 16b as shown in FIG. 1 are connected in pairs via the switch T5, and the magnetization directions of the fixed layer 30 are directed in opposite directions to each other as shown in FIG. Facing in the direction of. Therefore, the MTJ of the present invention
Since the elements 16a and 16b do not have the same structure as the memory array of the above MRAM, it is not necessary to select the elements to be written at the vertical and horizontal intersections. In addition, M in the conventional MRAM
Since the reversal of the magnetization direction of the free layer of the TJ element can be performed only by the current flowing in the bit line, the memory element of the register of the present invention has a configuration in which the write word line of the MTJ element of the conventional MRAM is omitted. Through the above write operation, the register transfers data to a memory having a True / Complement pair as a basic structure that saves data without consuming power.

【0027】動作原理を理解しやすくするため、データ
書き込みブロック12にMTJ素子16a,16bの固
定層30を示し、データ復元ブロック14にMTJ素子
16c,16dの抵抗を表す抵抗部分を示したが、図2
に示すように符号16aと16c、または16bと16
dはそれぞれ一体の構造である。データ復元ブロック1
4のMTJ素子16c、16d対は、本発明では電流ミ
ラー回路(スイッチT9及びスイッチT10部分)用の
抵抗として使用される。
To facilitate understanding of the operation principle, the fixed layer 30 of the MTJ elements 16a and 16b is shown in the data write block 12, and the resistance portion representing the resistance of the MTJ elements 16c and 16d is shown in the data restoration block 14. Figure 2
16a and 16c, or 16b and 16
d is an integral structure. Data restoration block 1
The pair of MTJ elements 16c and 16d of No. 4 is used as a resistor for the current mirror circuit (the switch T9 and the switch T10 portion) in the present invention.

【0028】不揮発性データをレジスタ10から読み出
すためには、DWの信号は「ロー」のままある。DRS
の信号は、最初は「ハイ」でその後「ロー」のレベルに
切り替える。「ハイ」から「ロー」に切り替えたことに
より、スイッチT7及びT8がオンになる。更に、スイ
ッチT6,T9,T10も動作し、電流ミラー回路(cu
rrent mirror circuit)が使用可能になり、スイッチT
9,T10に同じ値の電流が流れる。
To read the non-volatile data from register 10, the DW signal remains "low". DRS
The signal is switched to a high level initially and then to a low level. Switching from “high” to “low” turns on switches T7 and T8. Furthermore, the switches T6, T9, and T10 also operate, and the current mirror circuit (cu
rrent mirror circuit) is now available and switch T
Currents of the same value flow in 9 and T10.

【0029】差動信号がMTJ素子16c、16d対の
ノードML,MR上に現れる。そのノードML,MR上
に現れた差動信号は、アンプ・ラッチ回路18で増幅さ
れ、且つ保持される。言い換えると、ノードMLとMR
の電位差によって決定されるデータが、アンプ・ラッチ
回路18で増幅され、保持される。ノードMLとノード
MRの電位はMTJ素子16c、16dの抵抗値によっ
て決定される。即ち、MTJ素子16a,16bに書き
込まれているデータによって決定される。
A differential signal appears on the nodes ML and MR of the MTJ element 16c and 16d pair. The differential signals appearing on the nodes ML and MR are amplified and held by the amplifier / latch circuit 18. In other words, the nodes ML and MR
The data determined by the potential difference is amplified and held by the amplifier / latch circuit 18. The potentials of the nodes ML and MR are determined by the resistance values of the MTJ elements 16c and 16d. That is, it is determined by the data written in the MTJ elements 16a and 16b.

【0030】図3の回路でデータの保持が行われる。ノ
ードML’には増幅されたノードMLの電位が現れ、ノ
ードMR’には増幅されたノードMRの電位が現れる。
n型MOSFET38a及び38bをオンにすることに
よって、ノードML’及びノードMR’の電位が、それ
ぞれノードCLとノードCRに現れる。CMOSFET
が2個使用されており、ノードCRが「ハイ」であれば
ノードCRは「ロー」が保持される。反対にノードCL
が「ハイ」であればノードCRは「ロー」が保持され
る。
Data is held in the circuit of FIG. The amplified potential of the node ML appears at the node ML ′, and the amplified potential of the node MR appears at the node MR ′.
By turning on the n-type MOSFETs 38a and 38b, the potentials of the nodes ML 'and MR' appear at the nodes CL and CR, respectively. CMOSFET
2 are used, and if the node CR is “high”, the node CR holds “low”. On the contrary, node CL
Is high, the node CR holds low.

【0031】レジスタ10にデータを入力するため、D
RSの信号でレジスタブロック20がアンプ・ラッチ回
路18に保持されたデータを取り込む。上記の工程によ
って、データ復元操作が完了する。この後、DRSは
「ロー」から「ハイ」に戻り、電流ミラー回路がオフに
なる。
Since data is input to the register 10, D
The register block 20 takes in the data held in the amplifier / latch circuit 18 by the signal of RS. The above steps complete the data restoration operation. After this, DRS returns from "low" to "high" and the current mirror circuit is turned off.

【0032】以上の一連の工程における各ノードの信号
状態やMTJ素子の記憶状態を表1に示す。
Table 1 shows the signal state of each node and the memory state of the MTJ element in the above series of steps.

【0033】[0033]

【表1】 [Table 1]

【0034】MTJ素子は、ロジック・チップに使用さ
れる半導体製造工程における金属層の後半段階で実装で
きる。従って、ロジック回路の設計に加えてトランジス
タの設計もまったく別個に必要とするフラッシュメモリ
のような他の既存の不揮発性記憶素子に対し、このMT
J記憶素子の製造工程はずっと簡単でコストが非常に安
い。本発明は、従来のロジック・チップに不揮発性記憶
素子を容易に実装できる。
The MTJ element can be mounted in the latter half stage of the metal layer in the semiconductor manufacturing process used for the logic chip. Therefore, in comparison with other existing non-volatile memory devices such as flash memory, which requires completely separate transistor design in addition to logic circuit design, this MT
The manufacturing process of J memory device is much simpler and the cost is very low. According to the present invention, the nonvolatile memory element can be easily mounted on the conventional logic chip.

【0035】不揮発性記憶素子は、ひとつのラッチレジ
スタからマルチビットレジスタまでさまざまに使用可能
である。電力消費なしにデータをレジスタに保存するこ
とは、電源を切る前の操作環境に復帰するのに非常に役
立つ。ロジック・チップの電気による変更機能付き不揮
発性記憶機能は非常に広範囲の用途も持つ。その機能
は、論理機能を柔軟に変更することも達成できる。
The nonvolatile memory element can be used in various ways from one latch register to a multi-bit register. Saving data in registers without consuming power is very helpful in returning to the operating environment before powering down. The non-volatile memory function of the logic chip with electrical modification also has a very wide range of applications. The function can also be achieved by flexibly changing the logical function.

【0036】以上、本発明のレジスタ、データの記憶方
法及びデータの読み出し方法について説明したが、本発
明はこれらに限定されるものではない。例えば、MTJ
素子に代えてGMR(Giant Magnetoresistive)素子を
使用することも可能である。
Although the register, the data storing method and the data reading method of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these. For example, MTJ
It is also possible to use a GMR (Giant Magnetoresistive) element instead of the element.

【0037】本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業
者の知識に基づき種々なる改良,修正,変形を加えた態
様で実施できるものである。
The present invention can be carried out in a mode in which various improvements, modifications and variations are added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によると、ロジック・チップに不
揮発性の記憶素子であるMTJ素子を含むように構成さ
れており、簡易に設計及び製造ができ、コスト削減が可
能である。また、不揮発性の記憶素子を使用するため、
電源を切って電力消費無しにデータを記憶することがで
きる。
According to the present invention, the logic chip is configured to include the MTJ element which is a non-volatile memory element, which can be easily designed and manufactured, and the cost can be reduced. Moreover, since a non-volatile storage element is used,
Data can be stored without power consumption by turning off the power.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係るレジスタの構成を示した図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a register according to the present invention.

【図2】MTJ素子の構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a structure of an MTJ element.

【図3】CMOSFETを使用したデータを保持する回
路の図である。
FIG. 3 is a diagram of a circuit for holding data using a CMOSFET.

【図4】一般的なレジスタブロックに使用される回路図
である。
FIG. 4 is a circuit diagram used for a general register block.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:レジスタ 12:データ書き込みブロック 14:データ復元ブロック 16a,16b,16c,16d:MTJ素子 18:アンプ・ラッチ回路(Amp and Latch) 20:レジスタブロック 22a,22b:AND回路 24a,24b:NOT回路 26:自由層 28:トンネルバリアー 30:固定層 32a,32b:CMOSFET 34a,34b:p型MOSFET 36a,36b,38a,38b:n型MOSFET 40a,40b:NAND回路 10: Register 12: Data writing block 14: Data restoration block 16a, 16b, 16c, 16d: MTJ element 18: Amp / Latch circuit (Amp and Latch) 20: Register block 22a, 22b: AND circuit 24a, 24b: NOT circuit 26: Free layer 28: Tunnel barrier 30: Fixed layer 32a, 32b: CMOSFET 34a, 34b: p-type MOSFET 36a, 36b, 38a, 38b: n-type MOSFET 40a, 40b: NAND circuit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 砂永 登志男 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内 (72)発明者 宮武 久忠 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内 (72)発明者 北村 恒二 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内 (72)発明者 浅野 秀夫 神奈川県藤沢市桐原1番地 日本アイ・ビ ー・エム株式会社 藤沢事業所内 (72)発明者 野田 紘憙 神奈川県藤沢市桐原1番地 日本アイ・ビ ー・エム株式会社 藤沢事業所内 (72)発明者 梅崎 宏 神奈川県藤沢市桐原1番地 日本アイ・ビ ー・エム株式会社 藤沢事業所内 Fターム(参考) 5E049 BA06 CB01 5F083 BS27 FZ10    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Toshio Sunaga             800 Miyake, Yasu-cho, Yasu-gun, Shiga Prefecture             Japan IBM Corporation Yasu Business             In-house (72) Inventor Hisadamu Miyatake             800 Miyake, Yasu-cho, Yasu-gun, Shiga Prefecture             Japan IBM Corporation Yasu Business             In-house (72) Inventor Tsuneji Kitamura             800 Miyake, Yasu-cho, Yasu-gun, Shiga Prefecture             Japan IBM Corporation Yasu Business             In-house (72) Inventor Hideo Asano             1 Kirihara, Fujisawa City, Kanagawa Japan             -M Fuji Co., Ltd. (72) Inventor Hiroaki Noda             1 Kirihara, Fujisawa City, Kanagawa Japan             -M Fuji Co., Ltd. (72) Inventor Hiroshi Umezaki             1 Kirihara, Fujisawa City, Kanagawa Japan             -M Fuji Co., Ltd. F-term (reference) 5E049 BA06 CB01                 5F083 BS27 FZ10

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 データの記憶されたレジスタブロック
と、前記レジスタブロックから出力されたデータを記憶
するための不揮発性の記憶素子を含んだデータ書き込み
ブロックと、前記データ書き込みブロックに記憶された
データを読み出すデータ復元ブロックと、を含むレジス
タ。
1. A register block in which data is stored, a data write block including a non-volatile storage element for storing data output from the register block, and data stored in the data write block. A data recovery block to read, and a register containing the block.
【請求項2】 前記記憶素子が、磁化の方向が固定され
た強磁性体の層である固定層と、磁化の方向が変えられ
る強磁性体の層である自由層と、を含む請求項1に記載
のレジスタ。
2. The storage element includes a fixed layer, which is a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed, and a free layer, which is a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be changed. Register described in.
【請求項3】 前記記憶素子が2個であり、一方の記憶
素子の固定層と自由層の磁化の方向が同じであり、他方
の記憶素子の固定層と自由層の磁化の方向が異なる請求
項3または4に記載のレジスタ。
3. The two storage elements, wherein the fixed layer and the free layer of one storage element have the same magnetization direction, and the fixed layer and the free layer of the other storage element have different magnetization directions. The register according to Item 3 or 4.
【請求項4】 前記2個の記憶素子がスイッチを介して
接続されている請求項3に記載のレジスタ。
4. The register according to claim 3, wherein the two storage elements are connected via a switch.
【請求項5】 前記2個の記憶素子の固定層の磁化の方
向が、互いに前記スイッチの方向または該スイッチとは
反対方向である請求項4に記載のレジスタ。
5. The register according to claim 4, wherein the magnetization directions of the fixed layers of the two storage elements are the directions of the switches or the directions opposite to each other.
【請求項6】 前記データ書き込みブロックが、前記レ
ジスタブロックから出力されたデータが入力され、ハイ
の信号またはローの信号を出力する2個の論理回路を含
む請求項1乃至5に記載のレジスタ。
6. The register according to claim 1, wherein the data write block includes two logic circuits to which the data output from the register block is input and which outputs a high signal or a low signal.
【請求項7】 前記2個の論理回路の出力が入力される
複数個のスイッチを含む請求項6に記載のレジスタ。
7. The register according to claim 6, comprising a plurality of switches to which outputs of the two logic circuits are input.
【請求項8】 前記複数個のスイッチの内、1個の論理
回路の出力が入力されるスイッチの数が2個である請求
項7に記載のレジスタ。
8. The register according to claim 7, wherein among the plurality of switches, the number of switches to which the output of one logic circuit is input is two.
【請求項9】 前記1個の論理回路の出力が入力される
2個のスイッチが、前記2個の記憶素子と該2個の記憶
素子を接続するスイッチとを介して接続される請求項8
に記載のレジスタ。
9. The two switches to which the output of the one logic circuit is input are connected via the two storage elements and a switch connecting the two storage elements.
Register described in.
【請求項10】 前記データ復元ブロックに前記2個の
記憶素子の抵抗値によって生じる差動信号を発生させる
電流ミラー回路を含む請求項3乃至9に記載のレジス
タ。
10. The register according to claim 3, further comprising a current mirror circuit that generates a differential signal generated by resistance values of the two storage elements in the data restoration block.
【請求項11】 前記差動信号を増幅し、保持する回路
を含む請求項10に記載のレジスタ。
11. The register according to claim 10, including a circuit that amplifies and holds the differential signal.
【請求項12】 前記差動信号を増幅し、保持する回路
に、前記差動信号の保持のためにCMOSFETを含む
請求項11に記載のレジスタ。
12. The register according to claim 11, wherein a circuit that amplifies and holds the differential signal includes a CMOSFET for holding the differential signal.
【請求項13】 前記CMOSFETが2個である請求
項12に記載のレジスタ。
13. The register according to claim 12, wherein the number of the CMOSFETs is two.
【請求項14】 前記記憶素子が、MTJ(Magnetic T
unnel Junction)素子である請求項1乃至13に記載の
レジスタ。
14. The storage element is an MTJ (Magnetic T).
The register according to any one of claims 1 to 13, which is an unnel junction element.
【請求項15】 請求項9乃至14に記載のレジスタの
データの記憶方法であって、前記レジスタブロックから
出力されたデータに従って、前記2個の論理回路の内、
いずれか一方の論理回路からハイの信号を出力するステ
ップと、前記ハイの信号が出力された論理回路に接続さ
れた2個のスイッチをオンにするステップと、前記2個
の記憶素子にデータを書き込むステップと、を含むデー
タの記憶方法。
15. The method of storing data in a register according to claim 9, wherein the two logic circuits are selected from among the two logic circuits according to data output from the register block.
Outputting a high signal from one of the logic circuits, turning on two switches connected to the logic circuit outputting the high signal, and writing data to the two storage elements. A method of storing data, including the step of writing.
【請求項16】 請求項11乃至14に記載のレジスタ
のデータの読み出し方法であって、前記電流ミラー回路
を作動させるステップと、前記電流ミラー回路を作動さ
せるステップによって発生した前記差動信号を増幅する
ステップと、増幅された差動信号を保持するステップ
と、を含むデータの読み出し方法。
16. A method of reading data from a register according to claim 11, wherein the differential signal generated by the step of operating the current mirror circuit and the step of operating the current mirror circuit is amplified. And a step of holding the amplified differential signal, the method of reading data.
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